超冷里德堡原子系综的非平衡量子多体物理

Ultracold Rydberg atom with its exaggerated properties, which is currently a very active frontier in atomic, molecular and optical physics, has many important applications in quantum information science,ultrasensitive measurement,quantum simulation and ultracold chemistry. When atoms are excited to the Rydberg state, their large dipole moments can induce strong dipole-dipole interactions between any two Rydberg states, giving rise to a superatom ensemble which only contains single collective Rydberg excitation. Such a coherent souce of matter is expected to be a good candidate for studying quantum many-body effects under ultracold environment.In the presnet project,based on our former works we plan to theoretically investigate series of interesting non-equilibrium physics by utilizing the driven-dissipation mechanism , following the international research trend: 1.We seek for an entangled steady state with ultrahigh fidelity in ultracold Rydberg atomic ensemble, and study its potential applications in the quantum information science;2.We explore the nonlinear optical effects with Rydberg atoms and achieve quantum manipulation for atomic non-equilibrium dynamics by light;3. Based on the feedback and enhancement properties of an optical cavity, we perform a quantum nondemolition measurement for ultracold Rydberg atoms and meanwhile do the quantum state engineering.The success of our project is of significance in improving the existing theorem and experimental technology for ultracold Rydberg atoms.

超冷里德堡原子凭借其独特的性质已经成为原子分子与光物理中最为活跃的一个前沿领域，在量子信息科学、超高精密测量、量子仿真、超冷化学等领域都有广泛而重要的应用。当原子被激发到里德堡态时，原子巨大的电偶极矩将诱导产生强偶极-偶极相互作用，使其成为只包含单个原子合作激发的超原子源。如此一个具有良好相干性的物质源有望成为研究超低温环境下量子多体效应的首选。在本项目中，申请人在前期基础上将继续紧密跟随国际上在该领域的发展趋势，从理论上探究驱动-耗散机制作用下各种有趣的非平衡物理问题：1、实现超冷里德堡原子系综的超高保真度的纠缠稳态并拓展其在量子信息科学的应用；2、研究里德堡原子的非线性光学效应并实现光对原子非平衡动力学的量子操控；3、基于光学微腔系统的反馈和增强机制对超冷里德堡原子实施无破坏的量子测量和量子态控制。本项目的顺利实施将对完善超冷里德堡原子的现有理论和发展实验新方法具有重要意义。

超冷里德堡原子凭借其拥有独特内禀属性（超长寿命、超强相互作用、超灵敏的相干控制），近年来在量子信息科学技术、量子模拟与仿真、量子光学与精密测量等方面的研究中都展现出别于普通中性原子的优势。尤其是在量子纠缠的研究上，里德堡原子作为一种承载强关联集体效应机制的特殊的相干物质源，非常适用于量子非平衡系统中多体纠缠和合作激发现象的研究。本项目研究内容的开展便是立足于超冷里德堡原子系综与量子信息结合的大背景，从非平衡里德堡原子系综的量子稳态、超冷里德堡原子系综的非线性光学效应和里德堡原子集体效应在微观量子器件研发上的应用三大方面入手，呈现了一系列的研究成果。现对获得的两个关键成果及其科学意义进行概述：.1）由于里德堡原子之间的强阻塞效应使得非平衡系统展现丰富的稳态量子相行为。我们创新性地研究异核里德堡原子系统由于长程次近邻相互作用导致的量子相变，发现除驱动-耗散竞争机制是主导稳态的关键因素之外，原子之间相互作用的强度与种类也是非常重要的。因为异系系统通常需要考虑同系原子间的范德瓦尔斯作用与异系原子间的偶极-偶极作用。该成果为实验上研究异核或异系里德堡原子的动力学过程指明了新的方向，也将人们的目光引向了不同种类里德堡原子的家族。.2）我们提出利用偶极阻塞效应制备里德堡激发开关的新方案。在一团原子中，当邻近原子被激发到里德堡态时会引起其他原子能级的移动使它们的激发受阻，这便是熟知的里德堡阻塞效应。基于阻塞效应已经实验实现了单光子开关或单光子晶体管等器件，应用广泛。我们设计一种Y型结构在两路里德堡激发通道（强耦合和弱耦合）之间灵活地切换目标单里德堡态的布居数，而控制的关键仅是开启或关闭强耦合通道中里德堡原子之间的相互作用，易于在实验上实现。当然工作的局限性在于目前只考虑了两个独立的原子，需要往多原子体系拓展。该工作为研究里德堡全光量子开关开辟了新的路径，也引领了里德堡量子器件发展的新方向。